自组装肽纳米纤维支架在口腔种植骨增量的应用

2018-5-2 11:05  来源:亿万先生口腔医学杂志
作者:陈莉 欧国敏 阅读量:2403
    亿万先生上大量种植修复病例存在不同程度的骨缺损,需要在种植体植入术中或术前进行骨增量手术。寻找合适的骨移植材料及相关技术修复种植体周围骨缺损,一直是口腔种植领域的一大课题。自体骨移植作为骨增量的金标准,亿万先生效果较为确切,但存在骨量有限、创伤大、供区并发症、患者不易接受等问题;而同种异体骨在亿万先生上的应用也由于其潜在的排异性、疾病传染、伦理等因素受到限制。     目前口腔种植亿万先生上较为常用的人工骨材料有两大类:一类是来源于动物的异种骨,如小牛的无机骨颗粒;另一类为人工合成的骨生物材料,如双相钙磷陶瓷。尽管这两类人工骨材料联合生物膜在各类骨增量技术中广泛应用,取得一定效果。但作为上颌窦底提升或较大面积缺损的骨充填材料,效果仍不确切且获得理想的新生骨大约需要6~8个月。这类人工骨材料植入骨缺损处后,仅为骨再生提供了由颗粒状材料构成的支架,具有骨传导性,缺乏更多的骨诱导性。     近几年,组织工程技术快速发展,提出的“细胞”、“生物因子”、“基质”三大关键要素,使得更多具有骨传导性、骨诱导性以及成骨活性的材料有望应用于亿万先生,弥补传统骨修复材料的不足。这其中,自组装肽(Self-Assembling Peptides,SAP)由于其独特的组成结构,具有良好的组织相容性。其类似细胞外基质的三维网状结构,在细胞培养、组织再生等方面逐渐成为研究的热点,有望在口腔种植骨增量上进行应用。现对近年来自组装肽纳米纤维支架材料在骨组织修复方面的研究及口腔种植骨增量相关的生物学特性作一综述。     1.生物学性能     自组装普遍存在于自然界,利用分子间非共价键相互作用形成排列有序且稳定的超分子结构,称为分子自组装技术。自组装肽一般是由8~16个氨基酸通过肽键共价结合,特点是具有重复交替排列的疏水端和亲水端。依靠化学互补性和结构兼容性,自组装肽在适当条件下能自发形成β-折叠状的二级结构。分子之间以“肩并肩”的方式形成拥有一面亲水,一面疏水两个表面的条带结构。由于不同条带之间的疏水面通过疏水作用粘贴到一起从而形成了稳定的纳米纤维,交织成为纳米纤维支架结构。现阶段较为成熟自组装多肽为离子互补型肽RAD16和EAK16。     目前,代表性的商品化自组装肽是Pura Matrix TM Peptide Hydrogel,该材料为RAD16-I自组装肽纳米纤维支架,即精氨酸R、丙氨酸A、天冬氨酸D交替组装而成。自组装肽形成的纳米纤维直径一般在10~20nm之间,交织后形成的三维支架孔径在20~50nm之间,同时,这些三维支架通常为水凝胶状态,含水量超过99%(w/v),可塑性强。其仅由氨基酸合成,无生物来源的抗原和病原,生物降解成的氨基酸单体可供生物利用,具有良好的组织相容性。     2.自组装肽纳米纤维支架在骨修复的应用     2.1细胞实验     自组装肽纳米纤维支架的多孔性及三维网状结构类似于细胞外基质,为周围细胞的迁移、细胞间接触及分化等提供了良好的微环境,为周围再生的组织穿透损伤部位提供了结构支撑。大量细胞实验表明,自组装肽纳米纤维支架可为各类细胞培养提供具有三维空间的微环境,利于细胞长入,促进培养细胞的附着、增殖和分化。Luo研究了细胞在右旋氨基酸构成的自组装肽d-EAK16支架的细胞行为,发现其中的细胞表现出更高的细胞活性与更低的细胞凋亡行为。     Wu等将外周血来源的间充质干细胞接种于混有自组装肽的培养基中,细胞能被培养并被诱导向成骨细胞分化,完成骨生成作用。Hamada等将鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)培养于肽RAD16-I自组装形成纤维纳米支架上,发现其能促进细胞存活、成骨分化和形成矿化的细胞外基质。Yoshimi等将dMSCs细胞培养于PuraMatrix支架上,加入富含血小板的血浆,发现自组装肽组细胞的骨分化明显高于其它组,表明自组装肽纳米纤维支架是该类细胞的良好载体并能促进分化潜能。     Garreta等将鼠胚胎成纤维细胞培养于自组装肽纳米纤维支架,可促进细胞成骨样分化。Chen等将肽RAD16-I自组装形成纤维纳米支架作为热休克预处理的人骨髓间充质干细胞载体进行培养,明显提高了细胞的成骨分化能力。目前,构建功能化自组装多肽水凝胶支架成为热点,即将有生物活性的肽序列(也可称抗原表位)如某些特定蛋白质内特异性短肽序列用来修饰自组装肽,以最大化模拟细胞外基质微环境,同时传递细胞信息。     Horii研究表明,功能化自组装多肽水凝胶支架较纯RADA16-I水凝胶支架更能促进细胞的黏附、增殖、分化和血管化功能。刘健等将小鼠骨髓间充质干细胞培养于多肽DGEA修饰的RAD-I支架上,发现细胞的黏附、增殖及成骨分化能力较纯RADA16-I均有明显增高。赵刚等将多肽短链NBD结合于自组装肽RADA16上制成更具延展性与相容性的新型自组装水凝胶,用于小鼠前成骨细胞的培养,发现其成骨细胞增殖、分化效果优于单纯水凝胶RADA16。     Horri对3种功能基序ALK、DGR和PGR修饰的RAD16-I与RAD16-I混合制备的三维支架进行研究,其在纤维结构、促进小鼠成骨细胞前体细胞(MC3T3E1)黏附、增殖、成骨分化及ALP活性等方面均有明显阳性结果。同时发现以修饰的自组装肽同纯自组装肽按不同比例混合,所得的复合材料其纤维长度、机械强度等略有差异,对其中的细胞的行为也有一定影响。     2.2动物实验     细胞实验普遍表现出自组装肽良好的细胞培养载体特性,关于骨修复的动物实验也充分肯定了自组装肽在促进骨修复方面的作用。口腔种植牙槽嵴缺损较全身骨缺损具有小且极不规则的特点,而自组装肽纳米纤维支架由于其力学方面的特性,作为注射材料充填不规则和微小骨缺损有明显优势。Misawa等动物实验证明注射的自组装肽纳米纤维凝胶PuraMatrixTM相较注射的基底膜胶质MatrigelTM用于鼠颅盖骨缺损时,具有明显骨桥和带骨髓腔的成熟骨组织形成,且新生骨组织力学强度更强。     He等合成的功能化右旋自组装肽纳米纤维支架DRADA16-RGD不仅可以形成较为稳定的水凝胶结构,而且当其运用于SD大鼠股骨头缺损时,表现出明显的促进骨修复的作用。但是研究也表明当该类材料与复合bFGF生长因子的材料比较时,在成骨方面并无明显差别,认为这一点可能与其相对脆弱3D网络结构有关。因此,探索能为功能化自组装肽水凝胶提供具有一定机械强度的载体材料,构建能缓慢控释促进骨生成信号分子的复合材料成为新的方向。Hou将骨髓间充质干细胞作为种子细胞,以自组装肽纳米纤维作为支架,复合脱钙骨基质,显著增强了细胞的成骨分化能力。将其用于小鼠髂骨缺损修复中时,也发现此类复合材料较单纯的脱钙骨基质更利于新骨的形成。     Xia等采用纳米级羟基磷灰石胶原复合自组装肽纳米纤维支架构建复合材料,实验结果发现复合材料可显著提高脂肪干细胞黏附、增殖和成骨分化以及SD大鼠颅顶缺损的骨修复效果。Li等将RADA16-I自组装肽复合脱钙骨基质形成一种复合材料,明显增强了骨髓间充质干细胞的成骨基因表达,当其用于修复山羊20mm股骨缺损时,也较单纯的富集骨髓间充质干细胞的脱钙骨基质表现出更强的新骨形成能力。考虑到细胞移植的限制,Kim等将自组装肽KLD12与外周神经纤维分泌的一种神经肽物质SP进行组装,加上聚乳酸和β-磷酸三钙,构建成KLD12/KLD12-SP+PLA/β-TCP复合材料,可募集间充质干细胞,增强鼠颅骨缺损的骨修复。     Pan等将BMP-2相关肽P24与自组装肽RADA16复合,以聚乳酸(PLGA)为载体,合成了RADA16-P24-PLGA材料,实验表明该材料可促进骨髓基质干细胞的附着及体内异位成骨。Wu等以外周血间充质干细胞为种子细胞、自组装肽纳米纤维水凝胶为支架材料,与两片聚乳酸膜共同装配为一种复合材料,可明显促进鼠临界大小颅骨缺损的骨修复。     3.自组装肽促进骨修复可能的机制     自组装肽纳米纤维支架具有三维网状结构,其结构、生物功能、机械力学等特性类似天然细胞外基质,其孔径的纳米级别构造,有利于种子细胞向材料内部迁移和增殖。含水量约为99.0%,表面积大,有利于营养物质、活性分子和氧气等向材料深部弥散,改善细胞的能量代谢。同时可使小分子蛋白、激素、营养物质、生长因子或其他因子以及代谢产物缓释,不至于迅速消散,利于细胞的生长。     功能化的自组装肽其内部修饰的抗原表位呈递在圆柱状纳米纤维表面,生物支架的三维网状结构将抗原表位以高浓度呈递给培养或迁移入其中的细胞,高效选择性地调控种子细胞生物学行为,故功能化的三维纤维支架具有更高的生物学活性。SAP降解的氨基酸可被细胞利用。随凝胶的降解,其中的生长因子、细胞因子缓慢释放出来,可以持续发挥作用。Koutsopoulos和Gelain等对自组装肽纤维纳米水凝胶功能蛋白的控制释放进行了研究,结果显示这种生物相容性良好的材料是治疗性蛋白因子如骨形成相关生长因子持续性释放的良好载体,且细胞因子的释放很大程度上与相关水凝胶及因子的电荷与分子质量相关。     除此之外,自组装肽纳米纤维支架不仅能用于各种细胞的三维培养,而且能够促进局部血管的生成,这也可能是促进骨生成的一个因素。     4.关于自组装肽纳米纤维支架材料的展望     自组装肽纳米纤维支架材料的大量细胞、动物实验均证明了其良好的组织相容性和成骨活性,当被功能基序修饰后,更显著增强了材料的骨修复能力。现阶段设计、组装不同功能化的自组装肽并探究其生物学功能仍在继续。水凝胶支架材料力学性能不佳,尽管大量实验将其复合骨替代材料、聚乳酸、珊瑚等材料对机械强度有一定增强,但仍不能解决在大面积缺损部位或受压部位的机械支撑问题。同时,关于自组装肽如何控释蛋白分子如生长因子仍需进一步研究。大量关于颌骨缺损修复的组织工程实验发现组织工程骨在口腔种植中的广大前景。相较全身骨缺损而言,口腔种植中的骨量不足相对较小且不规则,自组装肽纳米纤维凝胶作为良好的支架材料,具有可注射性和良好的可塑性、相容性,相信未来有望应用于种植骨增量手术之中。
编辑: 陆美凤

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